Ränder finns överallt, från zebror som vandrar i det vilda till det senaste modeuttalandet. I den mikroskopiska fysikens värld, periodiska randmönster kan bildas av elektroner i så kallade kvantmaterial.

Forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nu tagit bort den spännande dynamiken i hur sådana atomskalor smälter och bildas, tillhandahålla grundläggande insikter som kan vara användbara vid utvecklingen av nya energimaterial.

I starkt korrelerade kvantmaterial, växelverkan mellan elektronerna härskar. Den komplexa kopplingen av dessa elektroner med varandra - och med elektronsnurr och kristallvibrationer - resulterar i exotiska faser som laddningsordning eller supraledning vid hög temperatur.

"Ett nyckelmål med fysik för kondenserad materia är att förstå krafterna som är ansvariga för komplexa faser och övergångarna mellan dem, "sade Robert Kaindl, en huvudutredare och stabsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Men i den mikroskopiska världen, interaktioner är ofta extremt snabba. Om vi ​​bara långsamt värmer eller kyler ett material för att ändra dess fas, vi kan gå miste om den underliggande handlingen."

Kaindl och hans kollegor har använt ultrasnabba laserpulser för att reta isär den mikroskopiska dynamiken hos korrelerade kvantmaterial för att komma åt interaktionerna mellan elektronerna och med kristallens atomgitter i tidsområdet.

För denna studie, forskarna arbetade med lantannickelat, ett kvantmaterial och modellrandförening. Särskilt, forskarna undersökte de elektroniska laddningarna som bildar randmönstret och hur de kopplas till kristallgitteret.

Hur laddningar interagerar med kristallen är en viktig ingrediens i randfysik, sa forskarna.

"Kristallgitteret snedvrider starkt runt laddningsränderna, "sade Giacomo Coslovich, som gjorde arbetet medan han var postdoktor vid Berkeley Lab. "Denna förändring av kristallsymmetrin resulterar i nya gittervibrationer, som vi i sin tur kan upptäcka med ljus vid terahertz -frekvenser. "

Kaindl och Coslovich är motsvarande författare till ett papper som rapporterar dessa resultat i Vetenskapliga framsteg .

I deras experiment, materialet exciteras optiskt av en nära-infraröd laserpuls med en varaktighet på 50 femtosekunder, och sonderade med en terahertz -puls med variabel tidsfördröjning. En femtosekund är en miljonedel av en miljarddel av en sekund.

Forskarna hittade oväntad dynamik när de använde lasern för att störa den mikroskopiska ordningen.

"Det intressanta är att medan lasern omedelbart upphetsade elektronerna, vibrationsförvrängningarna i kristallen förblev initialt frusna, "sade Coslovich, som nu är associerad personalvetare vid SLAC National Accelerator Laboratory. "Randfasvibrationerna försvann först efter flera hundra till några tusen femtosekunder. Vi kom också fram till att hastigheten beror på interaktionernas riktning."

Tolkningen av experimenten stöddes av simuleringar av fononspridningen av Alexander Kemper från North Carolina State University.

Resultaten ger viktig inblick i interaktionerna, eller "lim, " som kopplar elektroner till gittervibrationer i lantannickelatet. deras bredare relevans härrör från de senaste observationerna av laddningsordning i högtemperatur superledare - material där elektriska strömmar kan flöda utan motstånd vid temperaturer över kokpunkten för flytande kväve. Medan mekanismen förblir förbryllande, färska studier visade förmågan att framkalla supraledning genom att undertrycka ränder med korta ljuspulser.

"Fluktuerande ränder tros förekomma hos okonventionella supraledare. Vår studie sätter en hastighetsbegränsning för hur snabbt sådana mönster kan förändras, "sade Kaindl." Det lyfter fram vikten av att beakta både den rumsliga och tidsmässiga strukturen hos limmet. "